Universität zu Köln

Impact of trehalose and mycolate biosynthesis on the cell envelope of a Corynebacterium glutamicum L-lysine production strain

Gebhardt, Henrike (2005) Impact of trehalose and mycolate biosynthesis on the cell envelope of a Corynebacterium glutamicum L-lysine production strain. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    In contrast to other Gram-positive bacteria all members of the suborder of Corynebacterineae, including Corynebacterium glutamicum, contain a cell envelope that comprises an outer lipid bilayer, the mycolate layer, which is considered as permeability barrier. Trehalose is an important component of the mycolate layer and involved in the biosynthesis of mycolate. The first step of mycolate biosynthesis, the condensation of trehalose monomycolate was proven to be located in the cell envelope. The composition of the mycolate layer was specifically manipulated by growing a trehalose deficient strain on different carbon sources in the absence and presence of trehalose to investigate the importance of trehalose for the corynebacterial mycolate layer. A strain deficient in trehalose biosynthesis deriving from a C. glutamicum L-lysine production strain was chosen to examine whether the alteration of the cell envelope could improve lysine production and to test whether lysine excretion was correlated with the permeability of the cell envelope. Trehalose was shown to be essential for mycolate synthesis, when sucrose or fructose were the carbon source, whereas glucose could replace trehalose as acceptor and translocator of mycolic acids. External trehalose substituted cytoplasmic trehalose only partially for mycolate synthesis so that supplementation of the medium with trehalose could not completely restore the properties of the mycolate layer of the trehalose deficient strain to those of the parental strain. An imperfect mycolate layer increased the permeability of the cell envelope, and at the same time enhanced the excretion of lysine and triggered the excretion of glutamate. Since synthesis alone of the native components of the mycolate layer was not sufficient to restore its native properties, the packing of the mycolate layer seemed to be crucial for its low permeability. The physiological function of one of the three different trehalose metabolic pathways of C. glutamicum, of the OtsAB-pathway, was unknown. Analysis of trehalose synthesis of strains defective in individual trehalose synthesis pathways showed that the OtsAB-pathway was the predominant trehalose synthesis pathway under carbon limiting conditions. Since trehalose is the predominant compatible solute under nitrogen limitation, the OtsAB-pathway might be necessary to synthesise trehalose as protectant against osmotic stress, when C. glutamicum is exposed to the coincidental limitation of carbon and nitrogen, which occurs frequently in its natural soil habitat.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Corynebacterium glutamicum besitzt, im Gegensatz zu anderen Gram-positiven Bakterien, in der Zellwand eine äußere Lipiddoppelschicht, die Mycolatschicht, die eine Permeabilitätsbarriere darstellt. Trehalose ist ein wichtiger Bestandteil der Mycolatschicht und an der Biosynthese von Mycolat beteiligt. Es konnte gezeigt werden, dass der erste Schritt der Mycolatbiosynthese, die Kondensation zu Trehalosemonomycolat, in der Zellwand stattfindet. Um die Bedeutung von Trehalose für die Mycolatschicht zu untersuchen, wurde die Zusammensetzung der Mycolatschicht gezielt durch die Kultivierung eines trehalosedefizienten Stammes mit verschiedenen Kohlenstoffquellen, in An- und Abwesenheit von Trehalose manipuliert. Ein trehalosedefizienter Stamm, der auf einem C. glutamicum L-Lysinproduzenten basierte, wurde gewählt, um zu überprüfen, ob die Veränderung der Mycolatzusammensetzung die Exkretion von L-Lysin steigern könnte. Weiterhin sollte die Lysinexkretion mit der Permeabilität der Zellwand korreliert werden. Die Analysen zeigten, dass Trehalose essentiell für die Mycolatbiosynthese war, wenn Saccharose oder Fruktose als Kohlenstoffquelle dienten, während Glukose Trehalose als Akzeptor und Überträger von Mycolsäuren ersetzen konnte. Externe Trehalose konnte cytoplasmatische Trehalose nur teilweise für die Mycolatsynthese ersetzen, so dass die Supplementierung des Mediums mit Trehalose im trehalosedefizienten Stamm nicht vollständig die Eigenschaften der Mycolatschicht des Ausgangsstammes wiederherstellen konnte. Eine unvollständige Mycolatschicht erhöhte die Permeabilität der Zellwand, und gleichzeitig steigerte sie die Exkretion von Lysin und regte die Exkretion von Glutamat an. Die Permeabilitätsbarriere kann scheinbar nur dann aufgebaut werden, wenn alle Bestandteile in der Menge vorhanden sind, die eine korrekte Anordnung der Mycolatschicht ermöglicht. Die physiologische Funktion von einem der drei Trehalosestoffwechselwege in C. glutamicum, dem OtsAB-Weg, war vor Beginn der Arbeit noch unbekannt. Die Analyse von Stämmen mit nur einem funktionellen Trehalosestoffwechselweg zeigte, dass der OtsAB-Weg der wichtigste Trehalosesyntheseweg unter Kohlenstofflimitierung war. Da Trehalose das wichtigste kompatible Solut unter Stickstofflimitierung ist, könnte der OtsAB-Weg für die Synthese von Trehalose als Schutzsubstanz gegen osmotischen Stress unter Kohlenstoff- und Stickstofflimitierung notwendig sein, eine Mangelsituation, die im Boden, dem natürlichen Lebensraum von C. glutamicum, häufig auftritt.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Gebhardt, Henrikehenrike.gebhardt@gmx.net
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-16472
    Subjects: Life sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Trehalose , Mycolsäuren , Zellwand , Permeabilität , AminosäureproduktionGerman
    trehalose , mycolic acids , cell envelope , permeability , production of amino acidsEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Biochemie
    Language: English
    Date: 2005
    Date Type: Completion
    Date of oral exam: 27 November 2005
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 15 Feb 2006 15:50:26
    Referee
    NameAcademic Title
    Krämer, ReinhardProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1647

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